KR100319673B1 - 연마 장치 - Google Patents
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Abstract
연마 장치는 연마 패드, 기판유지부, 및 리테이너 링을 포함한다. 연마패드는 연마테이블에 부착된다. 기판유지부는, 연마 대상으로서의 기판을 유지하면서, 연마패드에 대해 기판의 연마대상면을 압박한다. 리테이너 링은 기판의 주위에 일치하도록 기판유지부의 유지면상에 형성된다. 리테이너 링은 연마패드와 접촉하게 되는 리테이너 링의 표면에 형성된 수지부분 및 수지부분을 유지하며 수지부분보다 높은 기계적 강도를 가진 재료로 이루어진 링형상의 수지유지부를 가진다.
Description
본 발명은 연마 장치에 대한 것으로, 특히 화학적 기계적 연마 (Chemical Mechanical Polishing : CMP) 에 사용되는 연마 장치에 대한 것이다.
기판 표면을 연마에 의해 평탄화시키기 위한 기술은 반도체 기판 제조공정을 포함하는 많은 분야에서 사용되어져 왔다. 최근에, 제조시에 형성된 표면의 요철, 예를 들어, 층간절연막 표면의 요철을 연마에 의해 평탄화하는 화학적 기계적 연마법이 반도체 기판상에 디바이스를 형성하는 공정에서 사용된다.
화학적 기계적 연마법에서는, 반도체 기판의 표면을 연마하기 위해 사용되는 부직포로 이루어진 비교적 연질(軟質)인 연마포와는 달리, 발포 폴리우레탄 (Foamed Polyurethane) 과 같은 물질로 이루어진 경질(硬質) 연마포가 절연막을 평탄화하기 위해 사용된다. 기판 표면내의 연마 균일성을 얻기 위해, 탄성 쿠션층이 경질 패드밑에 형성된다.
도 4 (a) 및 4 (b) 는 종래 연마 장치의 구성을 도시한다.
이 종래의 연마장치는, 도 4(a) 에 도시된 바와 같이, 연마대상을 유지하는 기판유지부 (409) , 연마패드 (402) 가 부착된 연마테이블 (410), 연마재 공급부재(411), 및 다이아몬드펠릿 (Diamond Pellet) (412) 이 탑재된 컨디셔닝기구 (Conditioning Mechanism) (413) 로 구성된다. 기판유지부 (409) 및 컨디셔닝기구 (413) 를 회전시키고 요동시키며 가압을 하기 위해 이들에 제공되는 기구 및 연마테이블 (410) 에 제공되는 회전기구는 도시되지 않는다.
도 4 (b) 에 나타낸 바와 같이, 리테이너 링 (Retainer Ring) (401) 이, 기판 (405) 의 둘레에 일치하도록, 기판 (405) 에 대향하는 기판유지부 (409) 의 표면상에 설치된다. 리테이너 링 (401) 은 기판 (405) 을 유지시켜 기판 (405) 의 횡방향으로의 이동을 방지한다. 리테이너 링 (401) 의 재료로서는, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (Polyethylene terephthalate) 와 같은 경질 플라스틱이 사용된다. 에어쿠션 (407) 이 리테이너 링 (401) 에 하중을 가한다. 삽입패드 (403) 라고 불리는 탄력성이 있는 층이 리테이너 링 (401) 의 안쪽의 기판유지부 (409) 의 면상에 형성된다.
상기 구조를 가지는 연마장치를 사용하여, 예를들면, LSI의 다층배선구조에 있어서의 층간절연막의 표면을 평탄화한다.
연마시에 리테이너 링 (401) 은, 기판 (405) 의 횡방향으로의 이동뿐만이 아니라, 기판 (405) 의 외주부가 비정상적으로 연마되는 것을 방지한다. 특히, 연마시에, 연마테이블 (410) 상의 상부 경질층 및 하부 연질층으로 이루어지는 연마패드 (402) 에 대해 기판 (405) 이 압박된다. 접촉압력은 기판 (405) 의 외주부에서 최대로 된다.
이 때, 도 5 (a) 에 도시된 바와 같이, 기판 (405) 의 압력에 의해 연마패드(402) 가 기판 (405) 의 외주부에서부터 수 mm 에 걸쳐 변형하여, 기판 (405) 의 외주부에 작용하는 압력이 감소한다. 그 결과, 기판 (405) 외주부상의 연마량이 감소한다. 특히, 삽입패드 (403) 의 탄성율 및 다른 연마조건에 따라, 연마패드 (402) 의 변형영역 (501) 이, 기판 (405) 의 외주부에서부터 수 cm 에 걸치는 경우도 있다.
종래 연마 장치에서는, 다음의 방식으로, 그 연마이상(硏磨異常)이 억제된다. 우선, 연마패드 (402) 에 접촉하는 리테이너 링 (401) 및 기판 (405) 의 표면들을 동일높이로 한다. 리테이너 링 (401) 이 연마패드 (402) 와 접촉하게 되는 폭을 연마패드 (402) 의 상술한 변형영역 이상으로 한다. 이에 의해, 도 5 (b) 에 나타낸 바와 같이, 변형영역 (502) 이 기판 (405) 의 외주부에까지 걸치는 것이 억제된다.
기판 (405) 에 하중을 가하는 것과는 독립적으로, 에어쿠션 (407) 에 의해 리테이너 링 (401) 에 하중이 가해진다. 이것에 의해, 리테이너 링 (401) 을 연마패드 (402) 에 대해 압박하는 압력이 독립적이고 일정하게 된다. 예를 들어, 리테이너 링 (401) 은, 500 g/㎠ (≒ 7 psi) 정도의 하중으로, 연마패드 (402) 와 접촉된다.
이 때문에, 연마시에, 리테이너 링 (401) 도 연마패드 (402) 에 의해 연마되어, 연마에 의해 발생된 리테이너 링 (401) 의 물질이 불순물로서 연마패드 (402) 상에 퍼진다. 이 경우, 리테이너 링 (401) 을 제조하는데 스테인리스강과 같은 합금재료가 사용된다면, 연마에 의해 발생된 금속성분이 연마패드 (402) 상에 퍼져, 기판 (405) 에 형성되어 있는 장치의 특성에 악영향을 미친다. 또한, 합금재료의 절삭편이 연마패드 (402) 의 연마면을 손상시킨다. 이 문제를 해결하기 위해, 플라스틱이 종래의 리테이너 링 (401) 의 재료로서 사용된다.
처리량이 증가함에 따라, 플라스틱 리테이너 링 (401) 이 변형하여, 소기의 성능이 유지되지 않게 된다.
이 경우에, 변형을 억제하기 위해 경질 플라스틱을 사용한다고 해도, 그 기계적강도는 한계가 있어, 스테인리스강과 같은 금속합금 재료의 기계적 강도보다 낮다. 경질 플라스틱을 사용하는 종래의 리테이너 링조차도, 연마처리수가 증가하면 변형이 생겨, 연마패드를 압박하는 리테이너 링의 능력이 저하된다. 그 결과, 종래의 연마 장치에서는, 연마처리수가 증가하면, 연마대상으로서의 기판의 외주부상에 연마량에 있어서의 이상이 발생한다.
본 발명의 목적은, 연마 처리수가 증가하더라도, 연마대상으로서의 기판의 외주부상에서의 연마량이상의 발생이 억제되는 연마 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1 (a) 는 본 발명의 실시예에 의한 연마 장치의 정면도이고, 도 1 (b) 는 도 1 (a) 에 도시된 기판 유지부의 주요부분의 단면도.
도 2 는 연마특성을 도시하는 그래프.
도 3 (a) 및 3 (b) 는 도 1 (b) 에서 도시된 리테이너 링의 변형을 각각 도시하는 도면.
도 4 (a) 는 종래 연마 장치의 정면도이고, 도 4 (b) 는 도 4 (a) 에 도시된 기판 유지부의 주요부분의 단면도.
도 5 (a) 및 5 (b) 는 연마패드의 변형을 각각 도시하는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 설명*
101 : 리테이너 링
102 : 연마패드
103 : 삽입패드
105 : 기판
107 : 에어쿠션
109 : 기판유지부
110 : 연마테이블
111 : 연마재 공급구
112 : 다이아몬드펠릿
113 : 컨디셔닝기구
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 연마테이블에 부착된 연마패드, 연마대상으로서의 기판을 유지하면서 연마패드에 기판의 연마대상면을 압박하는 기판유지부, 및 기판의 둘레 (Perimeter) 에 일치하도록 기판유지부의 유지면상에 형성된 리테이너 링을 구비하며, 상기 리테이너 링이, 연마패드에 접촉하는 리테이너 링의 표면상에 형성된 수지부분 및 수지부분을 유지시키고 수지부분보다 기계적강도가 높은 재료로 이루어지는 링형상의 수지유지부로 구성된 연마 장치가 제공된다.
이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 은, 본 발명의 실시예에 의한 연마장치를 모식적으로 도시한다. 본 실시예에 의한 연마장치는, 도 1 (a) 에 도시된 바와 같이, 연마대상으로서의 기판을 유지하는 기판유지부 (109), 연마패드 (102) 가 부착된 연마테이블 (110), 연마재 공급부재 (111), 및 다이아몬드펠릿 (112) 이 장착된 컨디셔닝기구 (113) 로 구성된다.
연마패드 (102) 는, 상부 경질층 및 하부 연질층으로 구성된 2층 구조를 가진다. 기판유지부 (109) 및 컨디셔닝기구 (113) 를 회전시키고 요동시키며 가압을 하기 위해 이들에 제공되는 기구 및 연마테이블 (110) 에 제공되는 회전기구는 도시되지 않는다.
도 1 (b) 에 도시된 바와 같이, 리테이너 링 (101) 은, 기판 (105) 의 둘레에 일치하도록, 기판 (105) 에 대향하는 기판유지부 (109) 의 표면 (유지면) 상에 설치된다. 리테이너 링 (101) 은 기판 (105) 를 유지하며 기판 (105) 의 횡방향으로의 이동을 방지한다. 에어쿠션 (107) 이 리테이너 링 (101) 을 연마 테이블 (110) 쪽으로 바이어스 (Bias) 한다. 삽입패드 (103) 라고 불리는 탄력성이 있는 층이 리테이너 링 (101) 안쪽의 기판유지부 (109) 의 표면상에 형성된다.
연마를 수행하기 위해, 기판 (105) 의 연마대상면이 삽입패드 (103) 를 통해, 연마패드 (102) 에 가압된다. 기판 (105) 의 연마대상면상에는, 예를들면, LSI의 다층배선구조의 일부가 형성되며, 다층배선구조의 최상층상에는 층간절연막이 형성된다. 하부배선층 등에 의해 형성된 요철이 층간절연막의 표면상에도 존재한다. 본 실시예의 연마 장치는 화학적 기계적 연마에 의해 이 요철을 절삭하고 연마하여 평탄화시킨다.
도 1 (b) 에 도시된 바와 같이, 리테이너 링 (101) 은, 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 같은 경질 플라스틱으로 이루어지는 하부 수지부분 (1O1a) 및, 예를들어, SUS 316 (스테인리스강) 으로 이루어지는 상부 금속부분 (101b) 에 의해 구성된다. 수지유지부로 기능하는 금속부분 (1O1b) 과 수지부분 (1O1a) 은 접착제에 의해 서로 단단하게 결합된다. 연마패드 (102) 에 접촉하게 되는 리테이너 링 (101) 의 수지부분 (101a) 의 표면은 기판 (105) 의 연마대상면의 높이와 동일한 높이로 한다.
리테이너 링 (101) 은 에어쿠션 (107) 을 사용하여, 기판 (105) 에의 하중제어와는 독립적으로, 바이어스된다. 이것에 의해, 리테이너 링 (101) 이 연마패드 (102) 에 압박되는 압력이 독립적이고 일정하게 유지된다. 예를 들어, 리테이너 링 (101) 은, 500 g/㎠ (≒ 7 psi) 정도의 바이어싱 힘 (압력) 으로 연마패드 (102) 와 접촉된다.
본 실시예에 의하면, 리테이너 링 (101) 은, 수지부분 (101a) 및 금속부분 (101b) 에 의해 구성된 2층 구조를 가진다. 그 결과, 전체 리테이너 링이 경질플라스틱으로 구성된 종래의 경우와 비교하여, 리테이너 링 (101) 의 기계적강도가 크게 향상된다.
리테이너 링 (101) 의 수지부분 (101a) 만이 연마패드 (102) 에 접촉할 뿐이며, 그 금속부분 (1O1b) 은 접촉하지 않는다. 따라서, 금속성분이 연마패드 (102) 위에 퍼져, 기판 (105) 상에 형성된 장치의 특성에 악영향을 미치게 하지는 않는다. 또한, 금속재료의 절삭편에 의해 연마테이블의 연마면이 손상되지도 않는다.
본 실시예의 연마 장치의 실용적 예가 기재된다.
리테이너 링 (101) 을 사용한 연마장치에서, 표면에 산화막이 형성된 8인치직경의 실리콘기판을 시료로 하였다. 화학적 기계적 연마에 의해 산화막을 제거하였다. 연마에 의해 제거되는 산화막의 두께는 약 650 nm 로 설정되었다. 이러한 조건들하에서 25장의 기판을 연마하였다. 26장번째 기판이 연마될 때, 도 2 의 곡선 (a) 에 의해 도시된 바와 같이, 실리콘기판 외주부로부터 약 3 mm의 영역에 걸쳐 20 내지 30 nm 정도 연마막 두께가 작은 영역이 형성되었다.
이것에 비하여, 경질 플라스틱만으로 형성된 종래의 리테이너 링 (401) (도 4 (b)) 을 사용하여 동일한 처리를 수행하였다. 그 결과, 도 2 의 곡선 (b) 에 의해 도시된 바와 같이, 실리콘기판의 외주부에서부터 5 mm 이상의 영역에 걸쳐, 연마막두께가 작은 영역이 형성되었다.
이와 같이, 본 실시예의 리테이너 링 (101) 을 사용할 경우, 연마처리량이 증가하더라도, 연마대상으로서의 기판의 외주부상에 발생하는 연마이상이 억제될수 있다.
본 실시예에서, 리테이너 링 (101) 의 수지부분 (101a) 및 금속부분 (101b) 은 거의 동일한 형상을 가진다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니다. 예를들어, 도 3 (a) 에 도시된 바와 같이, 계단 형상으로 수지부분 (301a) 이 형성될 수도 있으며, 수지부분 (301a) 및 금속부분 (301b) 의 형상이 서로 다를 수도 있다. 리테이너 링 (301) 이 이와 같이 구성될 경우, 그 기계적 강도 및 연마테이블 (110) 의 연마패드 (102) 와의 접촉면적이 자유롭게 설계될 수 있다.
도 3 (b) 에 나타낸 바와 같이, 리테이너 링 (311) 은, 그 수지부분 (311a) 이 링형상의 금속부분 (311b) 을 덮도록 형성될 수도 있다. 리테이너 링 (311) 이 이와 같이 구성되는 경우, 수지부분 (311a) 및 금속부분 (311b) 을 접착제 등으로 서로 밀착시킬 필요가 없어진다. 그 결과, 재료의 조합에 따라 수지부분 (311a) 이 금속부분 (311b) 에 접착될 수 없는 경우라도, 리테이너 링 (311) 이 구성될 수 있게 된다.
상기 실시예에서는, 스테인리스강이 금속부분을 형성하는데 사용되며, 수지부분을 형성하기 위해 폴리에틸렌 테레프탈레이트가 사용된다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니라, 다음의 엔지니어링 플라스틱이 대신 사용될 수도 있다. 특정하면, 폴리카보네이트, 폴리아미드, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리술폰, 폴리에테르 술폰, 폴리에테르 에테르 케톤, 폴리아미드 이미드, 폴리에테르 이미드, 클로로트리플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체 등이 그 예이다.
금속부분의 재료는 스테인리스강에 한정되는 것이 아니라, 내부식성을 가지며 높은 기계적강도를 갖는 금속 또는 그 합금이 사용될 수도 있다
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 연마패드와 접촉하게 되는 리테이너 링의 면만이 수지를 사용하여 형성되기 때문에, 전체 리테이너 링이 수지만으로 형성되는 경우에 얻어지는 것보다 큰 기계적 강도를 얻을 수 있다. 그 결과, 연마의 처리수가 증가하더라도, 리테이너 링이 크게 변형하지 않고, 연마대상으로서의 기판의 외주부상에서의 연마량이상의 발생이 억제될 수 있다.
Claims (8)
- 연마테이블 (110) 에 부착된 연마패드 (102),연마대상으로서의 기판 (105) 을 유지하면서, 상기 연마패드에 상기 기판의 연마대상면을 압박하는 기판유지부 (109), 및상기 기판의 둘레에 일치하도록 상기 기판유지부의 유지면상에 형성된 리테이너 링 (101, 301, 311) 을 구비하고,상기 리테이너 링이 상기 연마패드에 접촉하게 되는 상기 리테이너 링의 면에 형성된 수지부분 (101a, 301a, 311a) 및 상기 수지부분을 유지하며 상기 수지부분보다 기계적강도가 높은 재료로 이루어지는 링형상의 수지유지부 (101b, 301b, 311b) 를 가지는 것을 특징으로 하는 연마장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 리테이너 링이 상기 연마패드에 대향하는 상기 수지유지부의 표면상에 상기 수지부분을 링형상으로 적층하여 형성된 2층 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 연마장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 리테이너 링이 상기 수지유지부의 전체 표면이 상기 수지부분으로 덮힌 몰딩된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 연마장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 수지유지부가 금속 및 합금 중의 하나의 재료로부터 만들어진 것을 특징으로 하는 연마장치.
- 제 4 항에 있어서, 상기 수지유지부의 상기 재료가 스테인리스강인 것을 특징으로하는 연마장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 수지부분이 경질 플라스틱을 재료로하여 만들어진 것을 특징으로 하는 연마장치.
- 제 6 항에 있어서, 상기 수지부분의 상기 재료가 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리아미드, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리술폰, 폴리에테르 술폰, 폴리에테르 에테르 케톤, 폴리아미드 이미드, 폴리에테르 이미드, 및 클로로트리플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체로 구성된 그룹에서부터 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 연마장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 리테이너 링의 안쪽의 상기 기판유지부의 유지면에 제공되는 탄성 부재 (103), 및상기 리테이너 링을 상기 연마패드에 바이어스하기 위해 상기 기판유지부에 제공되는 바이어스 부재 (107) 를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연마장치.
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